23.17. Фотосинтетическое фосфорилирование сходно с окислительным фосфорилированием

Фотосинтетический перенос электронов и фотофосфорилирование в хлоропластах во многом сходны с переносом электронов и окислительным фосфорилированием в митохондриях. Это сходство проявляется в следующем: 1) реакционные центры, переносчики электронов и ферменты, участвующие в образовании АТР, находятся в мембране тилакоидов; 2) необходимым условием фотофосфорилирования является целостность тилакоидных мембран; 3) тилакоидная мембрана непроницаема для ионов ; 4) фотофосфорилирование можно разобщить с переносом электронов при помощи реагентов, способных стимулировать прохождение ионов через тилакоидную мембрану; 5) фотофосфорилирование можно блокировать олигомицином и другими аналогичными агентами, подавляющими в митохондриях синтез АТР из ADP и фосфата, катализируемый АТР-синтетазой (разд. 17.14); 6) синтез АТР осуществляется «грибовидными» ферментными молекулами, находящимися на наружной поверхности тилакоидной мембраны; по своей структуре и функции они очень напоминают митохондрий, вследствие чего их часто обозначают символом CF, (от англ. chloroplast - хлоропласт).

Подобно внутренней митохондриальной мембране (рис. 17-2), тилакоидная мембрана асимметрична по своему молекулярному строению (рис. 23-15). Молекулы переносчиков в цепи переноса электронов, ведущей от фотосистемы II к фотосистеме I, ориентированы в тилакоидной мембране таким образом, что перенос электронов создает реальный поток ионов через тилакоидную мембрану, направленный снаружи внутрь.

Рис. 23-15. Внутренняя и наружная поверхности тилакоидной мембраны различны. Фотосистемы и цепь переноса электронов ориентированы таким образом, что они накачивают ионы внутрь тилакоида. АТР-синтетазные «головки» (CF располагаются на наружной поверхности мембраны.

Рис. 23-16. Фотосин гетический -цикл. Фотосинтетический перенос электронов вызывает перекачивание ионов из наружной среды в тилакоид, в результате чего возникает трансмембранный -градиент, обращенный кислым концом внутрь. Возврат ионов наружу через ориентированную АТР-cинтетазную молекулу поставляет энергию для синтеза АТР из ADP и фосфата.

Под влиянием индуцированного светом потока электронов возникает, следовательно, трансмембранный градиент концентрации ионов , так что с внутренней стороны тилакоидных пузырьков среда становится более кислой, чем с наружной. Все эти свойства согласуются с хемиосмотической гипотезой, предложенной первоначально для объяснения окислительного фосфорилирования. а позднее распространенной и на фотосинтетическое фосфорилирование. Схема на рис. 23-16 изображает поток ионов движимых световой энергией; ионы поступают из стромы внутрь тилакоида и вновь возвращаются наружу через молекулы АТР-синтетазы.

В 1966 г. Андрэ Ягендорф поставил важный эксперимент, доказавший, что источником энергии для синтеза АТР действительно может служить трансмембранный градиент pH, обращенный щелочным концом наружу. Сначала он инкубировал хлоропласты в темноте в буферном растворе который медленно проникал во внутренний компартмент тилакоидов, снижая pH их содержимого. Затем, после добавления к этой темновой суспензии хлоропластов ADP и фосфата, он быстро доводил pH среды до 8, добавляя к ней щелочной буфф. т. е. мгновенно создавал большой трансмембранный градиент pH. Когда этот градиент начинал уменьшаться вследствие выхода ионов из гилакоидов в среду, происходило образование АТР из ADP и фосфата. Поскольку АТР синтезировался в темноте, этот эксперимент доказывал, что трансмембранный градиент pH есть высокоэнергетическое состояние, посредством которого энергия переноса электронов передается АТР-синтетазе, получающей таким образом возможность генерировать АТР, как это постулируется хемиосмотической гипотезой.